(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外囲器、この外囲器内部に対向配置された一対の電極を備え、この電極に紫外線が照射されると前記電極間で電子の放出が生じる電子管と、
前記電極間に周期的に変化する電圧を印加する印加部と、
前記電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形を検出する検出部と、
前記検出部が検出した電圧波形中に放電波形が成立するか否かを解析する解析部と、
前記解析部による解析結果に基づいて火炎の有無を判定する判定部と
を備え、
前記解析部は、前記電圧波形中に最大電圧が検出された時点から所定時間内に所定電圧値以上に降下した時点の電圧値を放電維持電圧とし、この放電維持電圧がその後所定時間維持された場合に、前記電圧波形中に放電波形が成立するとの解析結果を前記判定部に出力する
ことを特徴とする火炎検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火炎の有無を検出する火炎検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃焼炉等において火炎から放出される紫外線に基づいて火炎の有無を検出することに用いられる電子管が知られている。この電子管は、所定のガスを充填封止した密閉用器と、この密閉容器を貫通する電極支持ピンと、この電極支持ピンにより密閉用器内で互いに平行に支持される２枚の電極とを備えるものである。このような電子管では、電極支持ピンを介して電極間に所定の電圧を印加した状態において、火炎に対向配置された一方の電極に紫外線が照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。このため、電極間のインピーダンスの変化、電極間の電圧の変化、電極間に流れる電流などを計測することにより、火炎の有無を検出することができる。そこで、従来より、火炎の有無を検出するための種々の方法が提案されている。
【０００３】
例えば、電極間に流れる電流を積分し、この積分した値が所定のしきい値以上の場合には火炎有り、そのしきい値に満たない場合には火炎無しと判定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１４１２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した方法では、電極間に流れる電流を積分しているために消炎したときにも積分時間がかかるので、消炎を検出するまでにも時間を要し、結果として、火炎の有無の検出を迅速に行うことが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明は、火炎の有無をより迅速かつ確実に検出することができる火炎検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る火炎検出装置は、外囲器、この外囲器内部に対向配置された一対の電極を備え、この電極に紫外線が照射されると電極間で電子の放出が生じる電子管と、電極間に周期的に変化する電圧を印加する印加部と、電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形を検出する検出部と、検出部が検出した電圧波形中に放電波形が成立するか否かを解析する解析部と、解析部による解析結果に基づいて火炎の有無を判定する判定部とを備え、解析部は、電圧波形中に最大電圧が検出された時点から所定時間内に所定電圧値以上に降下した時点の電圧値を放電維持電圧とし、この放電維持電圧がその後所定時間維持された場合に、電圧波形中に放電波形が成立するとの解析結果を判定部に出力する電圧波形に基づいて火炎の有無を判定する判定部とを備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、電子管が備える電極間の電圧の時間変化を示す電圧波形を検出し、この電圧波形に基づいて火炎の有無を判定するので、積分時間等がかからないので、火炎の有無の検出をより迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る火炎検出装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、放電波形を説明するための図である。
【図３】図３は、本発明の実施の形態に係る火炎検出装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】図４は、波形解析処理を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、電流が少ない場合の電圧波形を示す図である。
【図６】図６は、電流が多い場合の電圧波形を示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る火炎検出装置の変形例を示すブロック図である。
【図８】図８は、放電波形および電流信号を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１３】
＜火炎検出装置の構成＞
図１に示すように、本実施の形態に係る火炎検出装置は、火炎センサ１と、外部電源２と、火炎センサ１および外部電源２が接続された演算装置３とを備えている。
【００１４】
火炎センサ１は、両端部が塞がれた円筒状の外囲器と、この外囲器を貫通する電極ピンと、外囲器内部において電極ピンにより互いに平行に支持された２枚の電極とを備えた電子管から構成されている。このような電子管は、電極がバーナ等の火炎を発生させる装置に対向するように配置されている。これにより、電極間に所定の電圧が印加された状態において紫外線が電極に照射されると、光電効果によりその電極から電子が放出され、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれを形成する。これにより、電極間の電圧、電流、インピーダンスが変化することとなる。
【００１５】
外部電源２は、例えば、１００［Ｖ］または２００［Ｖ］の電圧値を有する公知の交流の商用電源からなる。
【００１６】
演算装置３は、外部電源２に接続された電源回路１１と、この電源回路１１に接続された印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３と、印加電圧生成回路１２の出力端１２ａに火炎センサ１の電極ピンとともに接続された分圧抵抗１４と、この分圧回路１４に接続された電圧検出回路１５と、この電圧検出回路１５およびトリガ回路１３が接続されたサンプリング回路１６とを備えている。
【００１７】
電源回路１１は、外部電源２から入力される交流電力を、印加電圧生成回路１２およびトリガ回路１３に供給するとともに、演算装置３の駆動用の電力を取得する。
【００１８】
印加電圧生成回路１２は、電源回路１１により印加される交流電圧を所定の値まで昇圧させて火炎センサ１に印加する。本実施の形態においては、４００［Ｖ］の電圧が火炎センサ１に印加される。
【００１９】
トリガ回路１３は、電源回路１１により印加される交流電圧の所定の値点を検出し、この検出結果をサンプリング回路１６に入力する。本実施の形態において、トリガ回路１３は、電圧値が最小となる最小値点を検出する。このように交流電圧について所定の値点を検出することにより、その交流電圧の１周期を検出することが可能となる。なお、トリガ回路１３は、電圧値がゼロとなるゼロ値点を検出するようにしてもよい。
【００２０】
分圧抵抗１４は、火炎センサ１の端子間電圧から参照電圧を生成し、電圧検出回路１５に入力する。ここで、火炎センサ１の端子間電圧は、上述したように４００［Ｖ］という高電圧となっているので、そのまま電圧検出回路１５に入力すると電圧検出回路１５に大きな負荷がかかることとなる。また、後述するように、本実施の形態は、火炎センサ１の端子間電圧の実際の値ではなく、火炎センサ１の端子間電圧の時間変化、すなわち単位時間毎の端子間電圧の値をプロットすることにより得られる電圧波形の形状に基づいて、火炎の有無を判定するものである。そこで、分圧抵抗１４により、火炎センサ１の端子間電圧の変化が表現され、かつ、電圧値が低い参照電圧を生成し、これを電圧検出回路１５に入力する。
【００２１】
電圧検出回路１５は、分圧抵抗１４から入力される参照電圧の電圧値を検出し、サンプリング回路１６に入力する。
【００２２】
サンプリング回路１６は、電圧検出回路１５から入力される参照電圧の電圧値と、トリガ回路１３から入力されるトリガ時点とに基づいて、火炎の有無を判定する。
ここで、火炎が発生していない場合、火炎センサ１の電極間の電圧波形は、図２の符号ａに示すように、正弦波状のなだらかな形状（以下、「通常波形」と言う。）を有している。一方、火炎が発生して火炎センサ１に紫外線が照射されている場合には、図２の符号ｂに示すように、電圧値が正の極値近傍で立ち下り、この立ち下がった位置が所定時間維持された後に正弦波状に戻る特徴的な形状（以下、「放電波形」と言う。）を有する。これは、紫外線が電極に照射されて光電効果によりその電極から電子が放出されると、その電子が次々と励起されて他方の電極との間で電子なだれが形成され、この電子なだれにより電流が急激に増加することにより発光を伴う電子の放出が生じ、電極間の電圧が急激に低下するからである。
そこで、サンプリング回路１６は、そのような電圧波形の形状に基づいて火炎の有無を判定する。このようなサンプリング回路１６は、入力される参照電圧をＡ／Ｄ変換することにより電圧値および電圧波形を生成するＡ／Ｄ変換部１６１と、Ａ／Ｄ変換部１６１により生成された電圧値および電圧波形を記憶する記憶部１６２と、この記憶部１６２に記憶された電圧波形を解析する解析部１６３と、この解析部１６３による解析結果に基づいて火炎の有無を判定する判定部１６４とを有する。
【００２３】
＜火炎検出装置の動作＞
次に、図２を参照して、本実施の形態に係る火炎検出装置の動作について説明する。
【００２４】
まず、演算装置３は、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に対して所定の交流電圧を印加した状態としている。このような状態において、トリガ回路１３は、外部電源２から電源回路１１に入力される交流電圧、すなわち、印加電圧生成回路１２により火炎センサ１に印加される電圧の値が最小値点を通過したか否かを検出する。
【００２５】
印加電圧が最小値点を通過すると（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、サンプリング回路１６のＡ／Ｄ変換部１６１は、電圧検出回路１５から入力される１周期分の参照電圧を所定時間間隔でＡ／Ｄ変換して電圧値を検出する（ステップＳ１２）。検出された電圧値をプロットすると、図２に示すような電圧値の時間変化を示す電圧波形が生成される。一例として、本実施の形態では、０．１［ｍｓｅｃ］毎に電圧値を検出しており、外部電源２の周波数が５０［Ｈｚ］とすると１周期が１６．７［ｍｓｅｃ］であるので、検出される電圧値の数量は１６７個となる。なお、検出された１周期分の電圧値は、記憶部１６２に記憶される。
【００２６】
１周期分の電圧値が取得されると、解析部１６３は、検出された電圧値からなる電圧波形が放電波形として成立するか否かを解析する波形解析処理を行う（ステップＳ１３）。この波形解析処理の詳細については後述する。また、波形解析処理の処理結果は、記憶部１６２に記憶される。
【００２７】
波形解析処理が行われると、判定部１６４は、直近の１０周期分の電圧波形のうち４周期以上の電圧波形が放電波形として成立している否かを確認する（ステップＳ１４）。
【００２８】
直近の１０周期分の電圧波形のうち４周期以上の電圧波形が放電波形として成立する場合、判定部１６４は、火炎が有ると判定する（ステップＳ１５）。
【００２９】
一方、放電波形として成立する電圧波形が４周期分に満たない場合、判定部１６４は、火炎が無いと判定する（ステップＳ１６）。
【００３０】
＜波形解析処理＞
次に、図４を参照して、解析部１６３による波形解析処理について説明する。ここで、解析部１６３は、１周期分の電圧値をプロットした電圧波形ついて以下の波形解析処理を行う。
【００３１】
まず、解析部１６３は、電圧波形における最大の電圧値（以下、「最大電圧」と言う。）を検出する（ステップＳ２１）。
【００３２】
最大電圧を検出すると、この最大電圧の時点から０．３［ｍｓｅｃ］以内に電圧値が５０［Ｖ］以上降下している場合にはその最大電圧を放電開始電圧とし、この放電開始電圧が存在するか否かを確認する（ステップＳ２２）。上述したように、放電波形の場合には、電圧値が正の極値近傍で立ち下っている。そこで、本実施の形態では、最大電圧を検出した時点から所定の時間内に所定の電圧値以上降下しているか否かを検出することにより、放電波形が成立するか否かをを判定している。
【００３３】
放電開始電圧が存在しない場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、電圧波形が放電波形として成立しないと判定し（ステップＳ３０）、この解析結果を出力する（ステップＳ２９）。
【００３４】
一方、放電開始電圧が存在する場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、最小値点を通過した時点から最大電圧の時点までを放電遅れ時間と設定する（ステップＳ２３）。また、放電開始電圧以降の電圧偏差が２０［Ｖ］以内である期間を放電時間と設定する（ステップＳ２４）。
【００３５】
放電時間を設定すると、その放電時間が３［ｍｓｅｃ］以上であるか否かを確認する（ステップＳ２５）。上述したように、放電波形の場合には、電圧値が正の極値近傍で立ち下った後、この所定の電圧値が所定時間維持される。そこで、本実施の形態では、所定に電圧値が所定の時間以上継続するか否かにより、放電波形が成立するか否かを判定している。
【００３６】
放電時間が３［ｍｓｅｃ］未満である場合（ステップＳ２５：ＮＯ）、電圧波形が放電波形として成立しないと判定し（ステップＳ３０）、この解析結果を出力する（ステップＳ２９）。
【００３７】
一方、放電時間が３［ｍｓｅｃ］以上である場合、その放電時間中の平均電圧を算出し、この値を放電維持電圧と設定する。そして、この放電維持電圧が１２０［Ｖ］以上であるか否かを確認する（ステップＳ２７）。
【００３８】
放電維持電圧が１２０［Ｖ］未満である場合（ステップＳ２７：ＮＯ）、電圧波形が放電波形として成立しないと判定し（ステップＳ３０）、この解析結果を出力する（ステップＳ２９）。
【００３９】
一方、放電維持電圧が１２０［Ｖ］以上である場合（ステップＳ２７：ＹＥＳ）、電圧波形が放電波形として成立すると判定し（ステップＳ３０）、この解析結果を出力する（ステップＳ２９）。
【００４０】
図２に示すように、紫外線が照射されて電子が放出されているときの電圧波形ｂ、すなわち放電波形は、電圧値が最小値点から一次関数的に増加して最大電圧まで到達すると、放電維持電圧まで立ち下ってその放電維持電圧が所定時間維持された後、一次関数的に減少するという特徴的な形状を有する。一方、電子の放出が発生していない場合の電圧波形ａは、正弦波状の形状を有する。そこで、本実施の形態では、そのような電子放出の有無による電圧波形の形状の相違を踏まえて、放電開始電圧、放電維持電圧、放電時間および放電遅れ時間を設定している。これらの値は、放電波形として成立する電圧波形ｂには存在するが、放電波形として成立しない電圧波形ａには存在しない。したがって、放電開始電圧、放電維持電圧、放電時間および放電遅れ時間の有無を確認することにより、電圧波形が放電波形として成立するか否かを確認している。
【００４１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、Ａ／Ｄ変換部１６１により火炎センサ１の電極間における電圧値の時間変化を示す電圧波形を生成し、解析部１６３によりその電圧波形を解析し、判定部１６４により解析部１６３の解析結果に基づいて火炎の有無を判定することにより、従来のように積分時間等が不要となるので、より迅速かつ確実に火炎の有無を検出することができる。
【００４２】
また、光の強度不足、印加電圧不足、電子管のガス抜け等が生じると、火炎センサ１の電極間に流れる電流が少なくなる。すると、図５の符号ｃで示すように、放電波形では一定の放電維持電圧が検出される部分が、複数周期分の正弦波状となってしまう。
また、演算装置３が故障したり、印加電圧が過大となったりすると、火炎センサ１の電極間に流れる電流が多くなる。すると、図６の符号ｄで示すように、放電波形では一定の放電維持電圧が検出される部分が、凸状となってしまう。
このように、電圧波形は、火炎センサ１の電極間に流れる電流の量により変化し、この電流の量は、火炎センサ１や演算装置３の状態によって変化する。そこで、電圧波形に基づいて、火炎センサ１や演算装置３の状態についても検出することが可能となる。これにより、例えば、解析部１６３により、放電開始電圧は存在するものの放電維持電圧が存在しないなど、図５や図６に示す放電波形の特徴部分を検出するためのしきい値を設定することにより、火炎の有無のみならず、火炎センサ１や演算装置３の状態も検出することができる。
【００４３】
なお、本実施の形態では、電圧波形に基づいて火炎の有無を検出する場合について説明したが、さらに電流信号も用いて火炎の有無を検出するようにしてもよい。この場合について、図７，図８を参照して以下に説明する。
【００４４】
図７に示す演算装置３’は、図１に示した演算装置３に、さらに火炎センサ１の接地との間に設けた負荷抵抗１７と、この負荷抵抗１７の接続端に接続され、火炎センサ１に対して直列に接続された電流検出回路１８とを設けたものである。
【００４５】
ここで、電流検出回路１８は、例えば、負荷抵抗やフォトカプラから構成され、火炎センサ１から入力される電流値を検出し、電流信号としてサンプリング回路１６に入力する。この場合、サンプリング回路１６は、電圧検出回路１５から入力される参照電圧の電圧値と、トリガ回路１３から入力されるトリガ時点と、電流検出回路１８から入力される電流信号に基づいて、火炎の有無を判定する。
ここで、電流信号は、図８に示すように、火炎センサ１に紫外線が照射されて電子の放出が生じると、火炎センサ１の電子の放出開始および終了と同時にほぼステップ的な応答を示す。そこで、解析部１６２は、上述した電圧波形の解析処理における放電開始電圧の有無の判定（ステップＳ２２）において、電流信号の立ち上がりと、電圧波形の立ち下がりとがほぼ同じタイミング（例えば±２［ｍｓｅｃ］など所定の時間α内）である場合、その電圧波形が放電波形として成立すると判定する。これにより、火炎の有無をより確実に検出することができる。
【００４６】
また、本実施の形態において、放電開始電圧、放電時間、放電維持電圧を判定するための数値などは上述した値に限定されず、適宜自由に設定できることは言うまでもない。
【００４７】
また、本実施の形態において、正弦波状の電圧波形を用いる場合を例に説明したが、電圧波形は正弦波に限定されず、電圧の立ち下がりを検出できるのであれば例えば三角波など各種波形を適宜自由に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、電子管を用いた火炎検出装置など、放電の有無に応じて電子管の端子間電圧が変化する各種装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１…火炎センサ、２…外部電源、３…演算装置、１１…電源回路、１２…印加電圧生成回路、１３…トリガ回路、１４…分圧抵抗、１５…電圧検出回路、１６…サンプリング回路、１７…負荷抵抗、１８…電流検出回路、１６１…Ａ／Ｄ変換部、１６２…記憶部、１６３…解析部、１６４…判定部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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